DE4125801A1 - Verfahren zum erhoehen der absorption von cw-co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Absorption von cw-CO₂-Laserstrahlen in einen Werkstoff durch das Fokussieren von zusätzlichen Laserstrahl­ impulsen auf den Werkstoff unter Anspülen des Werk­ stoffes mit einem inerten Gas.

Von den Verfahren der Werkstoffbearbeitung mit dem Laserstrahl sind das Schweißen und Schneiden schon für viele Anwendungsfälle in die industrielle Fertigung eingeführt. Beide sind thermische Verfahren, bei denen das Werkstück durch die Energie des Laserstrahles erwärmt wird. Im Unterschied zu den meisten anderen Schweiß- und Schneidmethoden erfolgt die Energiezufuhr im Brennfleck des gebündelten Laserstrahles äußerst rasch und intensiv. Die Folge sind eine zeitlich und örtlich eng begrenzte Erwärmung sowie eine hohe Schweiß- bzw. Schneidgeschwindigkeit. Es fließt nur wenig Wärme in den Werkstoff ab. Die Wärmebelastung und der Verzug sind gering. Für die Werkstoffbearbeitung werden verhältnismäßig hohe Strahlleistungen benötigt, wie sie Kohlendioxid (CO₂)-Laser bringen. Möglich ist ein kontinuierlicher (cw) oder gepulster Betrieb.

Wenn ein Laserstrahl auf Werkstoffe auftrifft, dann wird ein Teil der Strahlungsenergie reflektiert und ein Teil absorbiert, wobei die Absorption von der Wellen­ länge der Strahlung und vom Werkstoff abhängt. Ein cw-CO₂-Laser wird bei einer Wellenlänge von 10,6 µm be­ trieben, bei der beispielsweise Eisen nur etwa 10% der eingestrahlten Energie zu absorbieren vermag. Diese geringe Absorption bei Metallen kommt dadurch zustande daß die Reflektivität in diesem Wellenlängenbereich mit steigender elektrischer Leitfähigkeit ansteigt. Die Absorption bei Eisen wird mit zunehmender Einwirkungs­ dauer der Strahlung besser, weil dann die geringe absorbierte Strahlungsenergie den Werkstoff aufheizt, womit dann die elektrische Leitfähigkeit (Erzeugung einer Plasmawolke) und damit auch die Reflektivität sinken. Im Endeffekt erzielt man bei Eisen mit dem cw-CO₂-Laser eine Absorption von etwa 20%.

Ähnlich wie Eisen verhalten sich auch Molybdän, Wolfram und Tantal. Hochreflektierende Metalle wie Gold, Sil­ ber, Kupfer und Aluminium absorbieren nur wenig und lassen sich daher mit dem cw-CO₂-Laser nicht sehr gut betreiben.

Bei Erhöhung der Intensität der Laserstrahlung wird das Werkstück dort, wo der Laser einwirkt, nicht nur aufge­ schmolzen, sondern durch und durch geschmolzen. Damit verschweißt man zwei Werkstücke, die stumpf aneinander liegen. Durch weitere Erhöhung der Intensität der Laserstrahlung wird das Material mittels Laserstrah­ lung so stark erhitzt, daß es verdampft und in den Plasmazustand übergeht. Dabei findet eine wesentlich bessere Einkopplung der Laserstrahlung in das Werkstück statt, wozu außerordentlich hohe Leistungsdichten erforderlich sind.

Um an der Oberfläche eines Werkstoffes ein Plasma zu erzeugen, nutzt die GB-A 21 75 737 die bessere Absorp­ tion der kurzwelligen Laserstrahlen eines YAG-Lasers aus, die den CO₂-Laserstrahlen eines Leistungslasers überlagert werden. Ein Bohrverfahren mit einem Infra­ rot-Laser schlägt darüber hinaus das Anspülen des Werkstoffes mit den inerten Gasen Helium und/oder Wasserstoff vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Absorp­ tion bei einem cw-CO₂ -Laser mit vergleichsweise kosten­ günstigen Maßnahmen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird in Verbindung mit einem ver­ gleichsweise billigen CO₂-Mini-Impulslaser, vorzugs­ weise einem TEA-CO₂-Impulslaser, der Wirkungsgrad des cw-CO₂-Lasers wesentlich erhöht, weil mit dem CO₂-Im­ pulslaser bei genügend kurzer Impulsdauer im Bereich zwischen 10 ns (ns = Nanosekunden) und 100 µs (µs = Mi­ krosekunden) vornehmlich selbst bei kleiner Impuls­ energie von minimal etwa 100 mJ Spitzenleistungen im Megawatt-Bereich erreicht werden, mittels denen immer eine Plasmawolke erzeugt werden kann und gleichzeitig durch Anspülen der Oberfläche des Werkstückes mit Stickstoff oder einem Stickstoff-Gasgemisch die Ober­ fläche vor einer Oxidation geschützt und eine erhöhte Absorption der Laserstrahlen erreicht wird. Wird die Strahlung des CO₂-Impulslasers gleichzeitig oder im "Vorlauf" auf Abschnitte des zu bearbeitenden Werk­ stoffes gerichtet, kann die Verfahrgeschwindigkeit des cw-CO₂-Lasers während des Bearbeitungsvorganges erhöht werden. Hinzu kommt, daß die Sicherheit des Bedienungs­ personales erhöht wird, da weniger Strahlung von der Oberfläche des Werkstoffes reflektiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der über­ raschenden Beobachtung aus, daß durch das Anspülen des Werkstoffes mit dem inerten Gas Stickstoff oder einem Stickstoff enthaltenden Gasgemisch die Absorption der cw-CO₂-Laserstrahlen zusätzlich zu dem bereits durch das gemeinsame Fokussieren von CO₂-Laserstrahlimpulsen mit den cw-CO₂-Laserstrahlen auf einen Werkstoff ge­ steigerten Einkopplungsgrad weiter erhöht wird, weil die von der Oberfläche reflektierte Leistung reduziert wird. Es wird durch das inerte Gas Stickstoff bzw. das Stickstoff enthaltende Gasgemisch eine gegenüber den Schutzgasen Argon oder Helium bis zu 100% größere Einhärtetiefe erzielt.

Untersuchungen haben ergeben, daß Stickstoff oder ein Stickstoff-Gasgemisch als Schutzgas, das unerwünschte Reaktionen des Werkstoffes mit Atmosphärenkomponenten verhindert, während des Härteprozesses mit Laser­ strahlen eingesetzt werden kann. Das Schutzgas besteht aus bis zu 50 bis 100 Vol% Stickstoff.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Infrarotstrahlung z. B. eines cw-CO₂-Lasers bei 10,6 µm wird besonders von Metallen stark reflektiert, so daß die Absorptionseigenschaften bei der Bestrahlung durch Erwärmung des absorbierten Abschnittes der Laser­ strahlung erst verändert werden müssen. Bei bestimmten Materialien und sehr glatten Oberflächen ist deshalb eine Einkopplung der cw-Strahlung selbst bei Primär-Dauer­ leistung im Kilowattbereich nur in geringem Maße, d. h. in einem Bereich von 0-20% möglich, auf jeden Fall wird aber immer ein beträchtlicher Teil der IR-Primärstrahlung reflektiert.

Um die Absorptionseigenschaften bedeutend zu verbes­ sern, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Strahlung eines vergleichsweise kleinen CO₂-Impulsgas­ lasers gemeinsam mit der cw-Laserstrahlung auf dasselbe Bearbeitungsgebiet zu fokussieren. Da ein kleiner CO₂-Im­ pulslaser bei genügend kurzer Impulsdauer im 10 ns bis 100 µs-Bereich selbst bei kleiner Impulsenergie von etwa 100 mJ Spitzenleistungen im Megawatt-Bereich aussendet, kann nach Fokussierung dieser Strahlung auf beliebige Oberflächen wegen der hohen Leistungsdichten, die kurzzeitig über 10⁸ Watt/cm² liegen, immer eine Plasmawolke erzeugt sowie die Absorptionseigenschaften der zu bearbeitenden Oberfläche außerordentlich schnell so verändert werden, daß die Einkopplung der cw-Strah­ lung überhaupt erst ermöglicht oder bedeutend verbes­ sert wird. Um den Aufwand für die Erzeugung der CO₂-Im­ pulslaserstrahlung zu vermindern, ist es vorteilhaft, sehr kurze Impulse im Megawatt-Bereich mit genügend hoher Folgefrequenz, die je nach Bearbeitungsgeschwin­ digkeit im 10 Hz bis 1 kHz-Bereich liegen muß, zu erzeugen. Das gelingt vorteilhaft mit einem Mini-TEA-CO₂-Im­ pulslaser (TEA = Transversale Elektrische Anre­ gung bei Atmosphärendruck) , der mit Folgefrequenzen im 10 Hz bis 1 kHz-Bereich bei hohem Wirkungsgrad von mehr als 5% betrieben werden kann bei einer Gas­ mischung, die nur aus CO₂ und N₂ bestehen kann, so daß sowohl die Anschaffungskosten des Lasers als auch seine Betriebskosten sehr niedrig sind.

Des weiteren genügt eine mittlere Leistung des Hilfs­ lasers, die nur ein Hundertstel der cw-Strahlung be­ trägt, um eine viel effektivere Materialbearbeitung zu ermöglichen.

Bei allen Einkoppelverfahren der cw-CO₂-Laserstrahlung kann während des Bearbeitungsvorganges ein inertes Gas auf die Bearbeitungsstelle geblasen werden, so daß eine Oxidation des Werkstoffes verhindert wird. Hierdurch wird vorteilhaft ein Härten von blanken Metallen ohne Nachbearbeitung möglich. Als inertes Gas wird vorteil­ haft Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes Gas­ gemisch verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Über­ raschenden Beobachtung aus, daß durch das Anspülen des Werkstoffes mit dem inerten Gas Stickstoff oder einem Stickstoff enthaltenden Gasgemisch die Absorption der cw-CO₂-Laserstrahlen zusätzlich zu dem bereits durch das gemeinsame Fokussieren von CO₂-Laserimpulsen und cw-CO₂-Laserstrahlen auf einen Werkstoff gesteigerten Einkopplungsgrad weiter erhöht wird, weil die von der Oberfläche reflektierte Leistung reduziert wird (Fig. 1).

Untersuchungen zeigen, daß unabhängig von der Ausgangs­ leistung des cw-CO₂-Lasers die reflektierte Leistung gleich 0 ist, wenn Stickstoff als Schutzgas verwendet wird. In Fig. 1 ist die reflektierte Leistung (Ordi­ nate) über der Zeit (Abszisse) aufgetragen. Die mit 1, 3 bis 5 gekennzeichneten Reflexionsmessungen wurden bei Leistungen eines cw-CO₂-Lasers von 800 W (1), 500 W (3), 400 W (4), 200 W (5) und dem Schutzgas Stickstoff und die mit 2 gekennzeichnete Reflexionsmessung bei einer Leistung von 850 W des gleichen Lasers und dem Schutzgas Argon vorgenommen. Erkennbar ist, daß bei nicht zugeschalteten CO₂-Laserstrahlimpulsen und dem Schutzgas Argon (Ausführungsbeispiel 2) die reflek­ tierte Leistung geringer ist, als beim Einsatz des Schutzgases Stickstoff, obwohl die Leistung des cw-CO₂-La­ sers bei 2 größer ist als bei dem mit 1 gekennzeich­ neten Ausführungsbeispiel.

Während der Überlagerung (Zeit t2) der cw-CO₂-Laser­ strahlung mit einem Laserstrahlimpuls eines TEA-CO₂-La­ sers sinkt die gemessene reflektierte Leistung bei allen Ausführungsvarianten 1 und 3 bis 5, bei denen als Schutzgas Stickstoff eingesetzt wurde auf 0, während bei der Verwendung des Schutzgases Argon sich die reflektierte Leistung bis auf einen Wert von ca. 20% der Laserleistung erniedrigt, um nach dem erfolgten Laserstrahlimpuls auf den Eingangswert anzusteigen. Im Gegensatz hierzu wurde bei der Verwendung des Schutz­ gases Stickstoff und ausschließlicher cw-CO₂-Laser­ strahlung, d. h. nach dem Laserimpuls, keine reflek­ tierte Leistung gemessen.

In den Fig. 2 bis 4 ist eine Vergleichsuntersuchung dargestellt, bei der ein Werkstoff C 45 W mit einem cw-CO₂-Laser gehärtet wurde. Der Laser hatte jeweils eine Leistung von 1100 W. Den Laserstrahlen des cw-CO₂-La­ sers wurden Laserstrahlimpulse überlagert, wobei auf der Abszisse die Impulsfolgefrequenz des TEA-CO₂-Lasers und auf der Ordinate jeweils die Einhärtetiefe aufge­ tragen ist.

In Fig. 2 wurde der Werkstoff mit dem Schutzgas Stick­ stoff gespült, während in der Fig. 3 als Schutzgas Helium und in der Fig. 4 das Schutzgas Argon verwendet wurde. Wie ersichtlich, erfolgt nur beim Laserhärten unter Verwendung des Schutzgases Stickstoff eine Er­ höhung der Einhärtetiefe, während diese bei den Schutz­ gasen Argon und Helium sich verringert.

Untersuchungen haben weiter gezeigt, daß sich bei konstanter Ausgangsleistung des cw-CO₂-Lasers und steigender Energie des TEA-CO₂-Lasers sich ebenfalls eine Erhöhung der Einhärtetiefe einstellt. Beim An­ steigen der Leistung des cw-CO₂-Lasers und konstanter Ausgangsleistung des TEA-CO₂-Lasers wird ebenfalls eine nahezu proportionale Erhöhung der Einhärtetiefe er­ zielt.

Die Impulslaserstrahlung kann weiterhin entweder direkt in den cw-Bearbeitungsstrahl eingekoppelt werden, wodurch nur eine Bearbeitungsoptik nötig ist und um­ fangreiche Justierarbeiten entfallen oder auch separat mit eigener Fokussierlinse auf oder an den Rand des cw-Fokus gerichtet werden, um einen optimalen Vorlauf zu erzielen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Erhöhen der Absorption von cw-CO₂-La­ serstrahlen in einem Werkstoff durch das Fokus­ sieren von zusätzlichen Laserstrahlimpulsen auf den Werkstoff unter Anspülen des Werkstoffes mit einem inerten Gas, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Stickstoff oder ein Stick­ stoff-Gasgemisch ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die cw-CO₂-Laserstrahlen eine Wellenlänge von 10,6 µm und die zusätzlichen Laserstrahlimpulse eine Wellenlänge zwischen 9,1 µm und 11,1 µm aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlimpulse eine Impulsdauer zwischen 10 Nano-Sekunden und 100 Mikro-Sekunden und eine Folgefrequenz im Bereich zwischen 10 Herz und 1 Kilo-Herz aufweisen.